摆振磨料水射流落煤机理与工艺研究

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1、摆振磨料水射流落煤机理与工艺研究摘要：本文从煤岩的脆性特性出发，结合摆振磨料水射流的动力特性，分析了摆振磨料水射流切落煤岩的机理，并优化了摆振磨料水射流的落煤工艺。关键词：摆振；水射流；落煤源于水力采煤的高压水射流技术，承继了水力采煤技术所具有的优点（抑抑粉尘的产生、改善了工作环境），而且耗水量大幅度减少，使后续工序得到了极大的简化。在水射流落煤过程中，如何提高其能量的利用率，一直是人们所追求的目标。摆振水射流就是为了实现高效、低耗的落煤目的而提出的。经过多年的实践和研究，利用摆振水射流掘进煤巷，已经取得了很多成功的经验，已成功研究出了摆振射流落煤器。在解决高沼气、软

2、煤层的井巷的掘进，防爆降尘、改善掘进工作面的安全、卫生条件等方面，摆振水射流有其独特的优越性[1]。摆振水射流落煤的机理与以下三个方面的因素有关，即煤岩的特性、射流的特性，以及射流与煤岩的相互作用方式。1煤岩的特性　1.1煤岩的基本特性一般认为：煤岩是由许多微晶粒组成的、含有大量裂隙的、各向异性、非均质的脆性软岩[2]。煤岩的力学特性包括煤岩的强度特性和变形特性。煤岩的强度特性是指煤岩在外力作用下，抵抗破坏的能力。它主要包括煤岩的单向抗压强度、单向抗拉强度、剪切强度以及三向压力强度等。其中，煤岩的抗拉强度大大小于其抗压强度，大约为1：10，这是脆性煤岩的重要特征之一。

3、许多的试验研究也证明，煤岩的抗压强度与水射流的破岩能力几乎没有关系[3]。煤岩的变形特性则是指在各种应力状态下的应力与应变的关系。它包括煤岩内部贮存的应变能、煤岩的流变性能以及煤岩所表现出的弹塑性性能。1.2煤岩的破坏特点一般说来，煤岩的破坏存在有两种不同的现象，一种是“滑移”，一种是“脆断”，这是由煤岩的脆性特性决定的。它的主要破坏类型有：1)脆性拉伸破坏：在特定的单向压缩条件下，由于煤岩的变形，将在煤岩中产生拉伸应力，在其主应力面上，当拉伸应力达到临界应力时，煤岩将产生脆性拉伸破坏[4]。2)剪切破坏：煤岩在承受单向或低侧向压力的三向压缩时，煤岩由于变形将产生滑移

4、现象，从而产生了间接的剪切应力，当剪切应力超过潜在的剪切面上的抗剪强度时，煤岩将被剪切破坏。这就是著名的库伦——纳维尔破坏准则，关系式为：（1）式中——抗剪强度；——正应力；C——内聚力；——内摩擦角；——均为煤岩的固有性质。3)塑性流动破坏：煤岩在承受高侧向压力的三向压缩时，将会产生变形，当煤岩的应变达到极限应变数值时，煤岩就会发生塑性流动而使煤岩破坏。破坏的条件是：（2）式中——煤岩的应变；——煤岩破坏时的应变。（3）式中——泊松比；——煤岩的主应力。（4）式中——煤岩的抗拉强度；因此煤岩的破坏条件是：（5）由于煤岩的抗拉强度和抗剪强度远小于煤岩的抗压强度，因此，

5、煤岩的破坏一般都呈拉伸和剪切破坏的特点。在外力作用下，煤岩中的微晶粒间将产生剪切应力，当剪切应力超过晶粒之间的聚合力时，晶粒间就将产生滑移，剪切裂隙也就产生了，随着剪切裂隙的不断扩大，引起煤岩塑性流动，最终导致煤岩的破坏。另一方面，煤岩中的微裂隙在外力作用下，将在裂隙的端部产生拉应力集中（由于这个应力集中所产生的拉应力，在某种情况下，能达到所加给应力的100倍），这将导致裂隙以稳定的或失稳的形式扩展，最终引起煤岩的脆性拉断破坏。裂隙发展的条件是：当时，（6）当时，（7）式中——煤岩的最大、最小主应力当然，煤岩的破坏是一个复杂的过程，在多数情况下，它是一种综合破坏，既有

6、剪切力的作用，又有拉伸应力的作用。剪切滑裂与拉伸断裂的结合形成拉伸与剪切的综合破坏。对于脆性煤岩，在承受交变应力反复作用时，还会产生应力释放时的破坏。煤岩的这些特性及破坏特点，对于研究摆振水射流落煤是非常有意义的。如能充分利用这些特性和特点，对摆振水射流落煤来说，可收事半功倍之效。2　摆振水射流落煤机理2.1水射流落煤的机理高压水射流落煤的机理主要有三类，这就是割缝、崩落、楔劈三种形式，如图1所示。1）割缝：是利用高压水射流在煤壁上进行切缝，以增大煤壁的自由面，它既是落煤的开始，又是为水射流的主要落煤过程作准备，是水射流落煤的主要组成部分，其目的是为了增加自由面，为进

7、行有效的崩落（包括机械方式的破碎）创造有利条件，其特点是破落的煤岩粒度小，破碎单位重量煤体的能耗较大。图1、高压水射流落煤的机理2）崩落：是水射流落煤的主要过程，它利用煤体的自由面，借助于水射流的总冲击力，成块成块地把煤崩落下来。其特点是破落的煤块粒度大，破碎单位重量煤体的能耗较小。3）楔劈：是高压水射流冲进煤体的裂隙（包括原生的和开采过程中产生的）后，将水的动压力变为静压力形成水楔，把煤体破落下来，它充分利用了煤体抗拉强度远远小于抗压强度的特点，使煤体中的裂隙尖部在拉应力作用下扩展而被破落下来。其特点是相对割缝来讲，要求的水压不太高，但必须有足够的